6天线基础.ppt

电磁场、微波技术与天线 6 天线基础 电磁场、微波技术与天线 许 明 妍 北教6-108 myxu@cauc.edu.cn 本节主要内容 1 引言 2 元电辐射体 3 对称振子天线（偶极子天线） 4 天线特性参量 5 通信天线 6 机载通信、导航天线 1 引 言 无线电广播,通信,遥测,遥控以及导航等无线电系统都是利用无线电波来传递信号的，而无线电波的发射和接收都通过天线来完成，因此天线设备是无线电系统中重要的组成部分。 由发射机产生的高频振荡能量,经过发射天线变为电磁波能量,并向预定方向辐射,通过媒质传播到达接收天线附近。接收天线将接收到的电磁波能量变为高频振荡能量送入接收机,完成无线电波传输的全过程。 1 引 言 天线设备是将高频振荡能量和电磁波能量作可逆转换的设备,是一种“换能器”。天线设备在完成能量转换的过程中,带有方向性,即对空间不同方向的辐射或接收效果并不一致,有空间方向响应的问题；其次天线设备作为一个单口元件,在输入端面上常体现为一个阻抗元件或等值阻抗元件。与相连接的馈线或电路有阻抗匹配的问题。天线的辐射场分布或接收来波场效应,以及与接收机,发射机最佳的贯通,就是天线工程所最关心的问题。 2 元电辐射体 所谓元电辐射体是指一段载有高频电流的短导线,导线全长lλ,导线直径dl,线上的电流振幅是相等的,线上各点的电流相位亦认为是同相的。 元电辐射体是线状天线的基本单元, 对元电辐射体的分析,采用球坐标系。将元电辐射体的中心放在坐标系原点。 2 元电辐射体 设元电辐射体上电流分布为Iejωt,则利用矢量位A不难求得空间P点的场强。P点的球坐标是(r,θ,φ),其结果为: ? 2 元电辐射体 元电辐射体的电场有r和θ方向两个分量,而磁场只有φ方向分量。而且电场矢量和磁场矢量相互垂直。在Er,Eθ和Hφ分量中都含有r-1,r-2和r-3三项或其中二项。 现根据观察点P离元电辐射体的远近可分为三个区域:近区(kr1),远区(kr1)和中间区域。因接收点在很远处, 这里只讨论远区场。 2 元电辐射体 在远区范围内kr1,即λ/r1,因此r-1项起主要作用,而r-2和r-3项均很小,可以忽略不计。故远区的电磁场可近似表示为 ? 2 元电辐射体 远区场具有下列特点: (1)远区空间内任意一点电场和磁场在空间方向上相互垂直,在时间相位上同相。 (2)远区场纵向分量ErEθ,而磁场分量只有横向分量Hφ,故远区场近似为TEM波。 ? (3)远区场的相位随r的增加不断滞后,其等相位面为r等于常数的球面。 (4)远区场的电场与磁场的幅度｜E｜与｜H｜之比η0为自由空间的波阻抗。 2 元电辐射体 (5)辐射功率与辐射电阻。 ? 天线通过辐射场向外部空间辐射电磁波,其辐射功率即为通过包围此天线的闭合曲面的功率流的总和,即 2 元电辐射体 辐射功率与天线的结构,电尺寸以及激励电流有关。为了说明辐射体本身的特性,引入另一个参量——辐射电阻Rr,定义为 2 元电辐射体 (6) 方向性图。 元电辐射体的辐射场强值在等r距离的球面空间各个方向上是不相同的,它的方向性r函数为 ? F(θ,φ)=sinθ 3 对称振子天线 对称振子由两段同样粗细和相等长度的直导线构成,在中间两个端点之间进行馈电,且以中间馈电点为中心而左右对称的。由于它结构简单,所以被广泛用于无线电通信,雷达等各种无线电设备中,也可作为电视接收机最简单的天线设备。? 3 对称振子天线 工程上计算对称振子的辐射场的近似方法是:把对称振子看成是终端开路的传输线两臂向外张开的结果,并假设其上的电流分布仍和张开前一样,然后将振子分成许多小段,每一小段上的电流在某个瞬间可认为各处相同,即把每个小段看作一个元电辐射体,于是空间任一点的场强是许多元电辐射体在该点产生场强的叠加。 对称振子上的电流分布可表示为 ? 3 对称振子天线 3 对称振子天线 式中I(z)为天线上｜z｜位置的电流，Im为波腹点的天线电流，k=2π/λ为电流波在天线上的相位常数，λ是振子上电流波的波长，l为对称振子一臂的长度。 在对称振子天线上以中心位置为对称的±z位置处,一对元电辐射体dz1与dz2的辐射场分别为 ? 3 对称振子天线 式中θ为由对称振子轴线方向转向观察点的方位角r1和r2分别为dz1和dz2元电辐射体到观察点的距离。由于观察点P(r,θ,φ)在远区,可认为r1线,r2线和r线相互平行,因此认为dEθ1和dEθ2的方向近乎相同,且距离r1及r2和r有如下关系: ? 3 对称振子天线 若取dz1=dz2=dz,则 3 对称振子天线 图(a),(b),(c)和(d)分别表示l/λ=0.25,0.5,0.75和1的对称振子在E平面的方向性图